作道研HP内コンテンツです!
*フレームが表示されてない方はこちらから入りなおしてください。
*お願い 本文・画像の無断引用はおやめ下さい(連絡頂ければご相談に応じます)

プラズマの基礎知識

この世にある全ての物は
1原子と呼ばれる非常に小さな粒の集まりによってできています。
この原子は陽子とその周りを回っている電子からなっています。
この原子はエネルギーの大きさによって固体、液体、気体とさまざまな状態があります

固  体 液  体 気  体 プラズマ
原子は分子結合に束縛され自由に動くことができず、熱振動と呼ばれる振動のみ行っている 原子は比較的自由に動き回れる 原子は自由に飛び回ることができる。 非常にエネルギーの高い状態であり、電子と陽イオンに分かれている。
プラズマ中の電子の電荷と陽イオンの電荷は等しく電気的に中性である。
低エネルギー 高エネルギー
上のモデル図で示すように原子にエネルギーを与えてやると固体→液体→気体と順にエネルギーの高い状態なり温度が上がっていき、 動くスピードも増します。
普通、私達の身の回りにはこの3つの状態にあるのがほとんどです。
しかし、さらにエネルギーを加えると電子は原子の束縛をふりきり自由に動き回ることができ、プラスの電荷をもったイオンとマイナス の電荷をもった電子に別れてしまいます。
これが物質の第4の状態でプラズマと呼ばれているのです。
プラズマはそう簡単にお目にかかるものではないですが、オーロラや雷、太陽などはそれにあたります。 また、宇宙空間のほとんどはプラズマでできているのです。

身近にあるプラズマ
オーロラ
オーロラ

プラズマの定義
プラスの電荷を持つ粒子とマイナスの電荷を有する粒子がほぼ同じ密度で存在し、全体として電気的にほぼ中性状態にある様な粒子集団」
プラズマには、大部分が中性粒子でその一部が電離している「弱電離プラズマ」と、全部が正イオンと電子に別れている「完全電離プラズマ」があります。
半導体の分野で用いられているのは、弱電離プラズマで、完全電離プラズマは核融合の研究に用いられています。
弱電離プラズマ
完全電離プラズマ

プラズマ中には、イオン、電子のほか励起状態の原子、分子あるいは分子の解離によって生じた中性活性種Mなどが存在している。
また励起された原子や分子が基底状態に戻る過程(緩和)で、原子固有の発光が生ずる。
さらに、イオンと電子の再結合がプラズマ中あるいはチャンバー管壁において生じる。
プラズマは、電離と再結合が平衡状態にある粒子集団である。

プラズマの発生方法

プラズマは、チャンバー内に不活性気体ガスや反応性ガス圧力を一定の減圧状態に保ち、電極間に印加した直流電圧や高周波電圧、 あるいはマイクロ波などによる電界によって加速された電子とガス分子との衝突電離を利用して生成される。 プラズマの生成の方法によって、高周波プラズマ、マイクロ波プラズマと呼ばれている。

プラズマの応用


プラズマは主に半導体の分野で使われています。 プラズマは原子レベルで制御ができるため私達の目では見えない非常に細かい作業を行うことができます。


















イオン源にプラズマを発生させます。
そこに負の電圧を印加すると+の電荷を持ったイオンだけがとり出せます。
しかし取り出したイオンの中にはさまざまな+イオンが含まれているので、質量分離計に通し必要な種類のイオンだけを取り出します。
そして加速器の電圧によりエネルギーを与え加速し、XY走査電極によりピントを合わせて物質にイオンを注入することができます。

シリコンなどの半導体にイオンを注入することによってシリコンはP型あるいはN型半導体になります。この2種類を組み合わせることにより IC回路に使われる、ダイオードやトランジスタと呼ばれる素子ができます。
下の図は代表的な素子であるMOSトランジスタのを作る様子です。
N型のシリコンウェハに+のイオンを注入しP型を作ることにより
PチャネルMOSトランジスタを作る事ができます。